文章介绍
前驱体溶液老化过程对钙钛矿太阳能电池的光伏性能有显著影响。此外，作者首先观察到，由于质子溶剂异丙醇促进胺-阳离子副反应和碘离子氧化，两步序法前驱体的老化现象比一步法更严重。基于此，南昌大学谈利承、陈义旺等人报道了一种两步法选择性稳定有机胺盐和碘化铅(PbI2)前体溶液的新方法。在有机胺盐溶液中引入苯1,3-二硫醇，由于形成酸性还原环境，可以减轻胺-阳离子的副反应。同时，十甲基二茂铁(FcMe10/FcMe+10)对在PbI2溶液中可以作为氧化还原梭，同时循环氧化Pb0和还原I2。因此，由改进前驱体溶液制备的PVSCs器件具有25.31%的优异功率转换效率，在溶液老化21天后仍保持95%的效率。此外，在连续照明下，未封装的器件在最大功率点跟踪1500小时内保持85%的原始效率。研究为两步钙钛矿前驱体溶液的稳定提供了基础指导和科学方向。该论文近期以"Extending Shelf-life of Two-step Method Precursor Solutions through Targeted Regulation for Highly Efficient and Reproducible Perovskite Solar Cells"为题发表在顶级期刊Angewandte Chemie International Edition 上。
研究亮点
靶向调节：创新性地引入苯1,3-二硫醇和十甲基二茂铁，有效减缓了前驱体溶液中的副反应。
效率卓越：通过这种方法制备的钙钛矿太阳能电池展现了高达25.31%的光电转换效率。
稳定性出众：未封装设备在连续照明下保持85%的原始效率长达1500小时。
研究内容
本研究中，科研团队通过精确的化学调控，成功延长了两步法前驱体溶液的保质期，并通过这种方法制备了高效率的钙钛矿太阳能电池。研究团队详细阐述了靶向调节机制，并展示了其在提升电池性能方面的显著效果。
研究意义
效率提升：这项研究将钙钛矿太阳能电池的效率推向了新的高度，为未来的商业应用奠定了基础。
稳定性增强：通过改善前驱体溶液的稳定性，这项研究显著提高了钙钛矿太阳能电池的长期运行稳定性。
推动行业发展：这项研究不仅推动了钙钛矿太阳能电池技术的发展，也为整个太阳能行业的进步提供了新的动力。
图1 ：a)两步前体溶液的老化机理及靶向抑制策略示意图。b)由DFT计算得到FA+-BDT和FA+-IPA的分子结构和相互作用能。c) IPA-d8中BDT和FAI-BDT的1H-NMR谱。d) BDT和PbI2-BDT的FTIR光谱。前驱体溶液储存在25±5℃，50±5% RH的环境空气中。
图2：a、b)未加BDT和添加BDT的有机阳离子前驱体溶液在不同时间的1H-NMR光谱和c、d) FTIR光谱。e-g)采用老化控制和目标前体溶液的器件的ToF-SIMS深度轮廓和相关3D图像。h, i)未添加和添加BDT的有机阳离子前驱体溶液在不同时间的紫外-可见吸收光谱。(前驱体溶液在25±5℃，50±5% RH的环境空气中老化)。图3：a) I2和Pb0粉末分布在DMF/DMSO(体积比为9:1)无FcMe10和有FcMe10的溶剂混合物中，在60℃下搅拌。b)上层溶液的紫外可见透射光谱和c)溶液蒸发残留物(60 min后)的XRD图如图(a)所示。d) FcMe10、Pb0-FcMe10、I2和I2-FcMe10溶液的紫外可见透射光谱。e, f)未添加和添加FcMe10的PbI2前驱体溶液在不同时间的DLS光谱。g, h) PbI2前驱体溶液制备的PbI2薄膜的pb4f XPS光谱。i) Pb0/(Pb0 + Pb2+)比值拟合结果。图4：a-d)随入射角变化的深度相关的GIXRD衍射图，e-h) 2D-GIXRD衍射图，i-l)分别由新鲜和老化前驱体溶液制备的相应钙钛矿膜的俯视图和截面SEM图。
图5：a-d)分别由新鲜和老化前驱体溶液制备的相应钙钛矿膜的PL映射图。e, f)在5 × 5 cm2的衬底上用新鲜和老化的前驱体溶液制备的钙钛矿膜的紫外可见吸收光谱和g, h) PL光谱。i, j)由不同时间老化的控制和目标前驱体溶液制备的器件的PCE演化。插图:新鲜和老化的前驱溶液的照片。k)对应器件的J-V曲线。l)在氮气手套箱中，在25°C恒定光照下对未封装器件进行MPP监测。
总之，作者提出了一种有效的前驱体稳定策略，即在有机胺盐溶液和PbI2前驱体溶液中引入BDT和FcMe10添加剂，从而延长两步前驱体溶液的保质期。BDT中的- SH可以通过可逆平衡电离反应生成氢质子，从而抑制有机阳离子的去质子化和随后的胺-阳离子反应，同时还可以通过将I2还原为I-来抑制I-的氧化。此外，FcMe10/FcMe+10对可以作为基于FcMe10闭环的氧化还原梭子，在循环跃迁中选择性地同时氧化Pb0和还原I2。因此，掺杂前驱体溶液在环境条件下表现出极好的稳定性。此外，由于S和不配位的Pb之间的强结合，BDT是一种有效的缺陷钝化剂。最终，我们获得了颗粒更大、缺陷更少、PbI2残留量显著减少的高质量钙钛矿薄膜，以及性能重现性优异、冠军效率为25.31%的高效PVSCs。值得注意的是，掺杂前驱体溶液在室温空气中保存21天后仍然保持稳定，相应的器件保持了95%的原始效率。本研究建立的两步前体溶液稳定策略将促进PVSCs的商业化。器件结构：ITO/SnO2/PVSK/MeO-PEAI/Spiro-OMeTAD/Ag
1. ITO 等离子体处理10 min，2.67 wt % SnO2，3000rpm 30s旋涂，150℃加热30min；2. 5 mg FcMe10溶解于1 mL DMSO溶液，将PbI2 (691.5 mg, 1.5 M)与FcMe10溶解于DMF/DMSO(90:10)中，60℃搅拌6 h，得到FcMe10-PbI2前体溶液，PbI2 1500rpm 30s，70℃ 加热1 min;随后，FAI/MAI/MACl (90:6.4:9 mg/mL IPA)+5μL BDT, 2000 rpm 35s 旋涂于PbI2膜;转至空气，150℃下退火15min(RH 30-40%);3. 转至氮气，MeO-PEAI 5000 rpm 30s钝化；4. 72 mg/mL Spiro-OMeTAD CB+17.5uL Li-TFSI (520 mg/mL 乙腈)+28.8uL t-BP，4000rpm旋涂;
5. 蒸镀100 nm Ag；
Ye, J.; Sheng, W.; He, J.; Zhong, Y.; Liu, Y.; Liu, K.; Tan, L.; Chen, Y., Extending Shelf‐life of Two‐step Method Precursor Solutions through Targeted Regulation for Highly Efficient and Reproducible Perovskite Solar Cells. Angewandte Chemie International Edition 2024.
DOI: 10.1002/anie.202411708
来源：钙钛矿人
